Carlos Moya, Palma, İspanya'da doğdu. 6 yaşında tenis oynamaya başladı. 1995 yılında profesyonel oldu ve o yıl ilk tur şampiyonluğunu Buenos Aires'te elde etti. Daha önceleri bayanlar turunda mücadele veren İtalyan tenisçi Flavia Pennetta ile birlikteydi. 2007'de iki kez ayrıldılar.[1] Daha sonra İspanyol aktris Carolina Cerezuela ile çıkmaya başladı. 18 Ağustos 2010'da Palma de Mallorca'daki USP Clínica Palmaplanas sezaryen doğumla bir kız sahibi oldular.[2] Daha sonra ikinci kez çocuk sahibi oldular. 12 Aralık 2012'de doğan oğullarının adını Carlos koydular.
Moya 1998'de tekler Fransa Açık'ı kazanmıştır. Turnuvanın favorilerinden Marcelo Ríos çeyrek finalde, vatandaşı İspanyol Álex Corretja'yı da finalde yenerek şampiyon olmuştur. Aynı zamanda o sene Monte Carlo'da düzenlenen Tennis Masters Series turnuvasını da ilk kez kazanmıştır. Amerika Açık'ta yarı finale yükselmiş, ancak yarı finalde Mark Philippoussis'e kaybederek elenmiştir. ATP World Tour Finalleri'te finale yükselmiş, 5 setlik final karşılaşmasının ilk iki setini kazanmasına rağmen Corretja'ya 3-2 kaybederek seneyi noktalamıştır.
1999'da Indian Wells Masters turnuvasını ikinci olarak bitirmesinin ardından, dünyada 1 numaraya yükselmiştir. İki hafta boyunca zirevede yer almayı sürdürmüştür. Yılın ilerleyen zamanlarında bir önceki senenin şampiyonu olarak yer aldığı Fransa Açık'a 4. turda Andre Agassi'ye kaybederek elenmiştir. Sırtındaki sakatlık nedeniyle Amerika Açık'tan 2. turda çekilmek zorunda kalmıştır ve yılın geri kalanında sadece iki turnuvada yer alabilmiştir.
1999'daki Amerika Açık'tan 2000'li yılların başına kadarki dönemde, alt sırtındaki stres kırığının kendisini engellemesine rağmen, Moya halen dünya sıralamasında ilk 50 içerisinde yer almayı arka arkaya 5 yıldır sürdürdü. Amerika Açık'ta 4. tura ulaştı, ancak Todd Martin'e 5 setlik zorlu bir maçın ardından kaybederek elendi. 2000'deki en iyi başarısı Estoril Açık'ı kazanması oldu.
2001'de Umag'ı kazandı. Dört saat süren bir maratonun ardından vatandaşı Juan Carlos Ferrero'ya finalde kaybederek, Barselona'da ikinci oldu.
2002'de Moya, 6 finalden 4'ünü kazandı. Kariyerinin ikinci Tennis Masters Series şampiyonluğunu kazandı. Kariyerindeki en büyük sert zemin başarısını Cincinnati'de finalde dünya 1 numarası Lleyton Hewitt'e kaybederek elde etti.
2003'te üç toprak zemin şampiyonluğu elde etti. İspanya'nın Davis Kupası'nda finale yükselmesine, teklerde elde ettiği 6-0 oranıyla yardımcı oldu. Yarı finalde karar maçında Gastón Gaudio'yu yenerek, İspanya'nın Arjantin'i 3-2 ile elemesini sağladı. Finalde çim zeminde Mark Philippoussis'i yendi, fakat bu İspanya'nın tek sayısı oldu ve Avustralya'ya 1-4 kaybettiler.
2004'te daha da fazla katkı sağlayarak İspanya'nın Davis Kupası'nı kazanmasına yardımcı oldu. Finalde teklerde karar maçında Andy Roddick ve Mardy Fish'e karşı iki kritik galibiyet elde etti ve böylece İspanya ABD'yi 3-2 mağlup ederek kupayı kazandı. Aynı yıl Moya kariyerinin üçüncü Masters Series şampiyonluğunu Roma'da kazandı. Finalde David Nalbandian'ı 6-3, 6-3, 6-1 lik setlerle yenerek şampiyon oldu. O yıl turda hem toprak hem de sert zeminde en az 20 maç kazanan tek tenisçi olmayı başardı.
2007 Mayıs ayında Hamburg Masters'ta; Mardy Fish'i, dünya 12 numarası Tomáš Berdych, 9 numarası Blake'i ve 6 numarası Novak Đoković'i yenerek 2004'teki Indian Wells'ten beri ilk kez yarı finale yükseldi.Yarı finalde Roger Federer'e 6-4, 4-6, 2-6. ile kaybetti.
Temmuz 2007'de Hırvatistan Umag Açık'ı finalde Andrei Pavel'i 6-4, 6-2 ile yenerek kazandı. Bu şampiyonluk onu 18 numaraya yükseltti. Bu sıralama 23 Mayıs 2005'teki 15.likten bu yana en yüksek sıralaması oldu.
2008 Cincinnati Masters'ta, yağmur nedeniyle 2 gün ertelenen maçta Nikolay Davydenko'yu 7-6, 4-6, 6-2 yendi. Davydenko ile olan maçından birkaç saat sonra karşılaştığı Igor Andreev'i de 6-4, 7-6 yenmeyi başardı.
2009'a yavaş bir giriş yaptı ve katıldığı turnuvalarda ilk turlarda elendi. Avustralya Açık'ta da 1. turda elendi. Mart 2009'da tendonlarında ve kalçasındaki sakatlıklardan kurtulana kadar tenise belirsiz süreyle ara verdiğini açıkladı.[4] Ocak 2010'da Chennai Açık 1. turunda Janko Tipsarević'a kaybederek profesyonel tenise geri döndü. Ardından 2010 Avustralya Açık 1. turunda Illya Martenko'ya yenildi.
ATP Tour teklerde, Arjantin, Hırvatistan, Fransa, İtalya, Hindistan, Meksika, Monako, Portekiz, İspanya, İsveç ve ABD olmak üzere, 11 farklı ülkede şampiyonluk yaşadı.